Termofisica dell involucro edilizio

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1 Scuola Estiva di Fisica Tecnica 2008 Benevento, 7-11 luglio 2008 Termofisica dell involucro edilizio Problematiche termoigrometriche dell elemento di involucro edilizio opaco prof. ing. Anna Magrini, Università di Pavia 1

2 PSICROMETRIA ARIA + VAPOR D ACQUA = ARIA UMIDA aria secca (O 2 23% e N 2 76% in massa) componente unico composizione costante durante le trasformazioni vapor d'acqua ( 1% in massa) acqua in fase liquida e in fase vapore Umidità assoluta o grado igrometrico x = m v / m a [kgv /kga] 2

3 GRANDEZZE IGROMETRICHE Pressione di saturazione corrisponde alla massima quantità di vapore che può essere contenuta nella miscela gassosa Umidità relativa eccesso di vapore liquido Massa del vapore d'acqua alla temperatura t Massa del vapor saturo alla stessa temperatura i = P / P v s i nell'intervallo (0 1) (0% 100%) nell'intervallo (0 P s ) P v 3

4 DIAGRAMMA DI MOLLIER t i = 20 C i i =70% t e =-8 C Temperatura di rugiada: t r =14 C Temperatura limite superficiale 4

5 5

6 Alcuni problemi comuni 6

7 7

8 A 8

9 Distribuzione dell'acqua in funzione del tipo di problema 9

10 Problemi igrometrici degli edifici Effetti: degrado di intonaci; imputridimento delle strutture lignee; formazione di muffe sulla superficie interna; migrazione di sali, formazione di efflorescenze; presenza di acqua condensata sulla superficie ed all'interno delle pareti; riduzione del grado di isolamento termico dell'involucro aumento della conduttività termica; variazione dimensionale e danneggiamento di manufatti (fessurazioni e deformazioni). 10

11 Problemi igrometrici degli edifici FENOMENI IGROMETRICI DI SUPERFICIE raggiungimento di elevati valori di umidità relativa o condensazione del vapore sul lato interno dell'involucro edilizio (fenomeni di superficie); CONDENSAZIONE INTERSTIZIALE all'interno delle strutture perimetrali 11

12 Problemi igrometrici degli edifici fenomeni con uno sviluppo in più lento nel tempo, rispetto a quelli termici partecipazione delle strutture trasmissione del calore costanti di tempo dell ordine di ore-giorni trasmissione del vapore tempi più lunghi, dell ordine di settimane, mesi con effetti anche nel ciclo stagionale e annuale 12

13 Problemi igrometrici degli edifici Criteri di progettazione per prevenire fenomeni di degrado FENOMENI IGROMETRICI DI SUPERFICIE CONDENSAZIONE INTERSTIZIALE per evitare danneggiamenti: intervenire sulle condizioni climatiche interne modificare il disegno delle parti di edificio interessate 13

14 Problemi igrometrici degli edifici Criteri di progettazione per prevenire fenomeni di degrado il trasporto di vapore è determinato da differenze di temperatura differenze di pressione del vapore Non si prendono in considerazione: risalita capillare accumuli di condensa all'interno di componenti edilizi tenuta all'acqua meteorica, etc. 14

15 Produzione di vapore in un ambiente Numero abitanti Produzione media oraria di vapore G [kg/h] ΔP v = [G / (n V)] R v T 15

16 Produzione di vapore in un ambiente ΔP v = [G / (n V)] R v T UNI EN ISO molto alta alta [Pa] media ΔP v = 400 Pa bassa 200 molto bassa (P vi vi - P ve temperatura media mensile dell'aria esterna [ C] ve ) in funzione della temperatura esterna e della produzione di vapore (classi) 16

17 Classi di concentrazione del vapore in un ambiente Classe Molto bassa Bassa Media Alta Molto alta Uso dell edificio edificio Magazzini Uffici Alloggi con basso indice di affollamento Alloggi con alto indice di affollamento Edifici speciali (es. lavanderie, distillerie, piscine) 17

18 BILANCIO IGROMETRICO DI UN AMBIENTE ΔP v = [G / (n V)] R v T (P vi - P ve ) direttamente proporzionale a produzione di vapore per unità di volume G/V inversamente proporzionale al rinnovo di aria n. inverno: se n molto ridotto (serramenti a tenuta) per ambienti piccoli + molte persone P vi elevate estate: frequente apertura di finestre, elevato rinnovo d'aria maggiore P vi P vi P ve 18

19 ΔP v = [G / (n V)] R v T (P vi -P ve ) Pressione del vapore inversamente proporzionale a n, rinnovo di aria direttamente proporzionale a G/V, produzione di vapore per unità di volume (P vi -P ve ) elevata maggiore portata di vapore maggiore probabilità di condensazione 19

20 Fenomeni di superficie U.R. = P v /P s U.R. dipende dalla temperatura e quindi da: valore di riscaldamento intermittente, riferimento limite: attenuazione notturna, U.R. = 80 % cambiamenti climatici, su superfici effetti connessi con l'inerzia termica interne delle pareti (normativa) Specie UR min necessaria per la crescita Alternaria alternata 85 % Aspergillus versicolor 75 % Penicillium chrysogenum 79 % Stachybotrys atra 94 % Mucor plumbeus 93 % 20

21 Fenomeni di superficie Fattore di temperatura f Rsi = t t pi i t t e e ΔP' v = R v T (G / V) / n ΔP v = 1.10 Δ'P v ΔP v = P vi - P ve t t P s = e P s = P vi / 0.8 P ve = f (mese) t pi = f -1 (P s ) max f Rsi Il più alto valore di f Rsi, valutato nella stagione invernale (Ottobre-Aprile), è il fattore di temperatura minimo ammissibile 21

22 Fenomeni di superficie - Trasmittanza U Valore di progetto per strutture perimetrali flusso termico (parete perimetrale): ϕ = U A (t i - t e ) in funzione di t pi ϕ = h i A (t i - t pi ) f Rsi = t t pi i t t e e quindi: U = h i (1 - f Rsi ) max f Rsi > f Rsi 1 f < 1- max Rsi f Rsi max U = h i (1 - f Rsi ) < h i (1 - f Rsi ) 22

23 Fenomeni di superficie - Trasmittanza U Valore di progetto per strutture perimetrali parete piana senza schermi: h = 4 W / i (m2 K) max U = h i (1 - f Rsi ) < h i (1 - f Rsi ) 23

24 Fenomeni di superficie - Trasmittanza U Valore di progetto per strutture perimetrali f Rsi max U = h i (1 - f Rsi ) < h i (1 - ) tabella 2.1 valori limite della trasmittanza termica U delle strutture opache verticali in W/m2K zona climatica gen2006 gen2008 gen2010 A B C D E F

25 Fenomeni di superficie Trasmittanza massima in riferimento ai valori massimi ammissibili dell umidit umidità relativa sulle superfici delle pareti 25

26 Fenomeni di superficie Trasmittanza massima in riferimento ai valori massimi ammissibili dell umidit umidità relativa sulle superfici delle pareti 26

27 Fenomeni di superficie Parametri di controllo P vi = P ve + R v T (G / V) / n due tipi di controllo: ALTO n: ventilazione degli ambienti interni sufficiente, prelevando aria dall esterno per diluire la concentrazione di vapore (riduzione di P vi ) BASSA U: idoneo isolamento termico delle pareti per assicurare temperature superficiali interne (t( pi ) superiori al valore limite 27

28 Fenomeni di condensazione interstiziale nei mesi invernali (valori medi mensili) P vi > P ve e t > t i e LEGGE DI FICK: in assenza di condensazione g' = costante v g' = (P( v vi - P ve ) / z' vt [kg/m 2 s] resistenza alla trasmissione del vapore z' vt = (1 / β i + Σ L / δ + 1 / β e ) [Pa / kg m 2 s] 1 / β e 1 / β i e = resistenze di trasporto di massa convettivo (trascurabili) L / δ = resistenza strato di materiale δ = permeabilità al vapore [kg/m s Pa] z' vt = Σ i L i / δ i 28

29 Fenomeni di condensazione interstiziale Trasmissione del vapore P vi > P ve g' ( v = (P vi - P ve ) / z' [kg/m 2 s] z' vt Trasmissione del calore t i > t e ϕ' ' = (t i - t e ) / R' t [W/m 2 ] 29

30 30

31 10456 Building materials and products Hygrothermal properties Tabulated design values and procedures for determining declared and design thermal values 31

32 32

33 Fenomeni di condensazione interstiziale Metodo di Glaser confronto grafico dell'andamento di P s e di P v Ipotesi: il trasporto di umidità si verifica in fase vapore in un materiale non igroscopico; non si considera l'effetto provocato dai gradienti termici esistenti nella struttura; non si considera il trasporto associato a moti convettivi di aria umida; condizioni di regime stazionario; l'acqua condensata non si muove verso le zone limitrofe più secche. 33

34 Fenomeni di condensazione interstiziale Procedura: Calcolo della distribuzione di temperatura nella struttura Ps Resistenza alla diffusione del vapore z'v Pv Resistenza alla diffusione del vapore z'v Calcolo della distribuzione di pressione di saturazione nella struttura Calcolo della pressione di vapore interna Linea di congiungimento valore interno- esterno 34

35 Fenomeni di condensazione interstiziale Evaporazione 35

36 Fenomeni di condensazione interstiziale 36

37 La condensazione dipende dalle condizioni climatiche, valutate su base mensile 37

38 Fenomeni di condensazione interstiziale Quantità di vapore che condensa Bilancio delle portate di vapore Portata entrante (g' vi ) = g' c = portata uscente (g' ve ) + quantità di condensa g' vi - g' ve = g' c = portata di vapore condensata per unità di area Condensazione: g' vi - g' ve > 0 Evaporazione della condensa: g' vi - g' ve < 0 38

39 Fenomeni di condensazione interstiziale Calcolo della condensa Bilancio delle portate di vapore Portata entrante g' vi = (P( vi - P v *)) / z' v * P v * Portata di vapore che esce dalla parete g' ve = (P( v * - P ve ) / (z'( v - z' *) v Portata di vapore condensata per unità di area g' c = g' vi - g' g' vi g' ve z' v * 39

40 Fenomeni di condensazione interstiziale Condizioni per verifica positiva Calcolo sulla base di condizioni climatiche medie mensili Valutazione delle condizioni nel ciclo annuale Quantità di vapore che condensa (in inverno) UGUALE o inferiore a quella che evapora (in estate) INFERIORE al limite massimo ammissibile per il materiale 40

41 Fenomeni di condensazione interstiziale Evaporazione Stagioni intermedie Estate 41

42 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Modifica dell andamento della pressione di saturazione disposizione degli strati esterno interno maggiore resistenza termica R' maggiore resistenza alla diffusione del vapore z' v inserimento sul lato interno di un materiale ad alta resistenza alla diffusione (barriera al vapore) 42

43 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Inserimento di strati isolanti per mantenere la struttura a temperatura maggiore Pareti verticali - Cappotto 43

44 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Inserimento di strati isolanti per mantenere la struttura a temperatura maggiore Pareti verticali - Cappotto 44

45 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Pareti verticali Isolante in intercapedine 45

46 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Inserimento di strati isolanti per mantenere la struttura a temperatura maggiore Coperture 46

47 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Modifica dell andamento della pressione di saturazione con inserimento di uno strato a bassissima permeabilità al vapore 47

48 Fenomeni di condensazione interstiziale Criteri di intervento su strutture non idonee Smaltimento della condensa ventilazione naturale con aria esterna della zona (intercapedine) interessata alla condensazione Modifica delle condizioni ambientali interne Diminuzione della pressione del vapore nell ambiente con un maggiore controllo delle condizioni termoigrometriche, per esempio mediante ventilazione controllata 48

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